Question

3．电解原理和原电池原理是电化学的两个重要内容．某兴趣小组做如下探究实验：
Ⅰ．（1）如图1为某实验小组依据氧化还原反应：（用离子方程式表示）Fe+Cu²⁺=Cu+Fe²⁺设计的原电池装置，反应前，电极质量相等，一段时间后，两电极质量相差12g，导线中通过3mol电子．
（2）其他条件不变，若将CuCl₂溶液换为NH₄Cl溶液，石墨电极反应式为2H⁺+2e^-=H₂↑，这是由于NH₄Cl溶液显酸性（填“酸性”“碱性”或“中性”），用离子方程式表示溶液显此性的原因NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺．

（3）如图2其他条件不变，若将盐桥换成弯铜导线与石墨相连成n型，则乙装置中石墨（1）为阴极（填正、负、阴、阳），乙装置中与铜线相连石墨电极上发生的反应式为2Cl^--2e^-=Cl₂↑．
Ⅱ．如图所示装置，通电5min后，第③极增重2.16g，同时在A池中收集到标准状况下的气体224mL．
请完成下列问题：
①第②极上生成的物质为0.005mol．
②写出第①极上发生反应的电极反应式Cu²⁺+2e^-=Cu．
③设A池中原混合液的体积为200mL，则通电前A池原混合液中Cu²⁺的浓度为0.025 mol/L．

Answer 1

分析 Ⅰ、（1）根据自发氧化还原反应知识来书写，并根据两极反应结合两极质量变化进行计算；
（2）氯化铵中，铵根离子水解导致溶液显示酸性，正极生成氢气；
（3）根他条件不变，若将盐桥换成弯铜导线与石墨相连成n型，则乙装置是电解池，甲装置是原电池；
Ⅱ、通电5min后，第③极增重2.16g，则该电极是阴极，所以④是阳极，①是阴极，②是阳极，
第③极增重2.16g即生成银$\frac{2.16g}{108g/mol}$=0.02mol，电极反应：Ag⁺+e^-=Ag，转移电子的物质的量为：$\frac{2.16g}{108g/mol}$=0.02mol，
在A池中发生的反应为：阳极（②极）：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，①电极反应式为：Cu²⁺+2e^-=Cu，若Cu²⁺完全放电后还有：2H⁺+2e^-=H₂↑，当转移电子0.02mol，结合电极方程式计算．

解答 解：Ⅰ．（1）设计的原电池装置的自发氧化还原反应是：Fe+Cu²⁺=Cu+Fe²⁺，设电子转移量是x，则64×0.5x-56×0.5x=12，解得x=3，
故答案为：Fe+Cu²⁺=Cu+Fe²⁺；3；
（2）氯化铵中，铵根离子水解导致溶液显示酸性，实质是：NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺，正极发生2H⁺+2e^-=H₂↑，
故答案为：2H⁺+2e^-=H₂↑；酸性；NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺；
（3）其他条件不变，若将盐桥换成弯铜导线与石墨相连成n型，则乙装置是电解池，甲装置是原电池，Fe是负极，Cu丝是正极，所以其中与铜线相连石墨电极是阳极，该极上发生的反应式为2Cl^--2e^-=Cl₂↑，故答案为：阴；2Cl^--2e^-=Cl₂↑；
Ⅱ．①通电5min后，第③极增重2.16g，则该电极是阴极，所以④是阳极，①是阴极，②是阳极，
第③极增重2.16g即生成银$\frac{2.16g}{108g/mol}$=0.02mol，电极反应：Ag⁺+e^-=Ag，转移电子的物质的量为：$\frac{2.16g}{108g/mol}$=0.02mol，在A池中发生的反应为：阳极（②极）：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，当转移电子0.02mol，则会生成氧气0.005mol，故答案为：0.005；
②因①是阴极，电极反应式为Cu²⁺+2e^-=Cu，故答案为：Cu²⁺+2e^-=Cu；
③阴极（①极）：Cu²⁺+2e^-=Cu，若Cu²⁺完全放电后还有：2H⁺+2e^-=H₂↑，当转移电子0.02mol，A池会生成氧气0.005mol，在A池中收集到标准状况下的气体224mL，即0.01mol，所以产生氢气0.005mol，此时转移电子是0.01mol，①极上析出Cu和放出H₂共获得0.02mol电子，所以Cu²⁺+2e^-=Cu中转移电子是0.01mol，Cu²⁺的物质的量为：0.005mol，浓度是：$\frac{0.005mol}{0.2L}$=0.025mol/L，故答案为：0.025．

点评 本题涉及原电池、电解池的工作原理以及电极反应式的书写和电子守恒的应用知识，属于综合知识的考查，难度中等．